JP6611718B2 - Heat resistant composition for an electrically resistive and thermally conductive circuit breaker and load center and method for preparing the same - Google Patents
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Description
本出願は、2013年4月28日に出願された米国特許出願第14/012,398号の利益を主張するものである。この出願は、参照により本明細書に援用される。 This application claims the benefit of US patent application Ser. No. 14 / 012,398, filed Apr. 28, 2013. This application is incorporated herein by reference.
ここに開示される概念は、一般に、電気的開閉装置に関し、より詳しくは、回路遮断器及びロードパネルまたはロードセンターのような回路遮断装置に関する。ここに開示される概念は、さらに、電気的開閉装置及び関連する筐体を製造するための組成物、並びにその組成物を準備する方法に関する。 The concepts disclosed herein generally relate to electrical switchgear, and more particularly to circuit breakers and circuit breakers such as load panels or load centers. The concepts disclosed herein further relate to compositions for manufacturing electrical switchgear and related enclosures, and methods for preparing the compositions.
電気的開閉装置は、例えば、回路開閉装置及び回路遮断装置を含む。回路開閉装置及び回路遮断装置は、例えば、回路遮断器、接触器、モータ始動装置、モータ制御装置、及び他のロードセンターである。これらの装置は、当該技術分野において周知のものである。例えば、回路遮断器は、少なくとも一対の可分離接点を含んでおり、それらが作動して、過負荷状態または比較的高レベルの短絡または障害状態のような過電流状態による損傷から電気回路を保護することが知られている。電気的開閉装置は、一般に、ハウジングを含み、ハウジングは、その内部に可分離接点、作動機構、及びトリップ機構のような電子装置を収容する筐体として機能するとともに、それによって強度及び温度絶縁性が付与される。ハウジングを構成するための材料は、様々な既知の材料から選択することができ、これらの材料は、様々な形状に成形される。このような材料は、例えば液晶ポリマー熱可塑性樹脂であるが、これに限定されるものではない。幾つかの例では、ハウジングは、インサート成形として知られる方法によって形成することができる。インサート成形は、キャビティまたは成形型内に合成樹脂が導入(例えば、射出)され、硬化される射出成形法である。その結果、単一の成形プラスチック部品(例えば、ハウジング)が形成される。 The electrical switchgear includes, for example, a circuit switchgear and a circuit breaker. The circuit switching device and the circuit breaker are, for example, a circuit breaker, a contactor, a motor starter, a motor controller, and other load centers. These devices are well known in the art. For example, a circuit breaker includes at least a pair of separable contacts that are activated to protect an electrical circuit from damage due to an overcurrent condition, such as an overload condition or a relatively high level short circuit or fault condition. It is known to do. An electrical switchgear generally includes a housing that functions as a housing that houses electronic devices such as separable contacts, actuation mechanisms, and trip mechanisms therein, thereby providing strength and temperature insulation. Is granted. The materials for constructing the housing can be selected from a variety of known materials, and these materials are molded into a variety of shapes. Such a material is, for example, a liquid crystal polymer thermoplastic resin, but is not limited thereto. In some examples, the housing can be formed by a method known as insert molding. Insert molding is an injection molding method in which a synthetic resin is introduced (for example, injected) into a cavity or a mold and cured. As a result, a single molded plastic part (eg, a housing) is formed.
典型的には、例えば回路遮断器またはロードセンターのような電気的開閉装置で使用される成形プラスチックは、電気抵抗性の(すなわち、電流が流れない)ものであり、これによって、装置の外部に位置する人員を電気伝導性の部品への接触及び感電からシールド及び保護するための障壁が形成される。 Typically, molded plastics used in electrical switchgear devices such as circuit breakers or load centers are electrically resistive (i.e., no current flows) so that they are external to the device. Barriers are formed to shield and protect the positioned personnel from contact and electrical shock to electrically conductive components.
例えばエレクトロスピニング技術及びフォーススピニング技術のような、ナノスケールの複合繊維を製造するための様々な技術も、当該技術分野において周知のものである。図1に、典型的なエレクトロスピニング法が示されている。図1に示すように、エレクトロスピニング装置は、シリンジ1を含み、シリンジ1には、ポリマー溶融塊2または溶液が収容されている。シリンジ1の先端には、紡糸細管3が配置され、この紡糸細管3は、電圧発生設備6(電流源)の1極に結合されている。ポリマー溶融塊2は、射出ポンプ9によってシリンジ1から紡糸細管3へ運ばれ、先端において液滴が形成される。紡糸細管3と対電極5との間の電界は、紡糸細管3から出るポリマー溶融塊2または溶液の液滴の表面張力に打ち勝つ。これによって、紡糸細管3から出る液滴は変形し、臨界電位に到達すると、引き出されて細いフィラメント(いわゆる、ジェット)が生じる。この帯電したジェットは、新たなポリマー溶融塊2または溶液を紡糸細管3から連続的に引出しつつ、電界中で対電極5へ向けて加速される。ジェットは、対電極5へ向かう飛行の間に、溶媒の蒸発または冷却によって凝固する。これによって、典型的な直径が数ナノメートルから数マイクロメートルの連続するナノファイバー7が短時間で生成され、互いに結合される。これらのナノファイバー7は、対電極5に関連するテンプレート4上に、ウェブ(web)または不織マットの形で堆積される。導電性のテンプレート4は、収集器として機能し、対電極5とともに接地される。ポリマー製ナノファイバー7は、導電性のテンプレート4上で直接紡糸される。
Various techniques for producing nanoscale composite fibers are also well known in the art, such as electrospinning and force spinning techniques. In FIG. 1, a typical electrospinning method is shown. As shown in FIG. 1, the electrospinning apparatus includes a syringe 1, and the syringe 1 contains a polymer melt lump 2 or a solution. A spinning capillary 3 is disposed at the tip of the syringe 1, and the spinning capillary 3 is coupled to one pole of a voltage generation facility 6 (current source). The polymer molten mass 2 is conveyed from the syringe 1 to the spinning capillary 3 by the injection pump 9, and droplets are formed at the tip. The electric field between the spinning capillary 3 and the
図2には、ファイブリオテクノロジー社(FibeRio Technology Corporation)から市販されている典型的なフォーススピニング装置が示されている。図2に示すように、フォーススピニング装置は、スピナレット20を含んでいる。スピナレット20は、液体材料24を収容する貯留部22を有する。作動の間、スピナレット20は、軸25回りに高い毎分回転数で遠心的に回転され、静水力学的力及び遠心力が発生する。スピナレット20が回転すると、静水力学的力及び遠心力は、液体材料24をオリフィス27が配置された外壁26に押圧する。図2には、1つのオリフィス27が示されている。但し、外壁26には、複数のオリフィスが形成されていてもよい。液体材料24は、1つまたは複数のオリフィス27に入り、そこから放出される。遠心力と静水力学的力は、組み合わされて液体材料24のジェットを発生させ、このジェットはファイバー収集部28に衝突してナノファイバー29が生成される。図2において、ファイバー収集部28は、スピナレット20の一部のみを囲むように配置されている。但し、ファイバー収集部28は、スピナレット20の全周を囲むように配置されるものであってもよい。
FIG. 2 shows a typical force spinning apparatus commercially available from FibreRio Technology Corporation. As shown in FIG. 2, the force spinning device includes a
エレクトロスピニング装置でナノファイバーを作成するために使用される静電気力は、フォーススピニング装置では、遠心力に置き換えられている。液体材料は、溶液またはポリマーメルトのような溶融材料を含むものであってもよい。適切な材料の例は、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)のようなラム押出し成形されたポリマーを含む。ナノファイバーに加えて、この装置は、ミクロン範囲及びサブミクロン範囲のファイバーを製造することもできる。フォーススピニング技術において、伝導性及び/または静電気帯電は、ファイバーを製造する材料の選択に関連するパラメータではない。したがって、エレクトロスピニングと比較して、紡糸のための材料の範囲を広げることができる。例えば、低い誘電定数を備える材料を、塩または溶媒を追加することなく、ナノファイバーに紡糸することができる。フォーススピニング装置の制御変数は、スピナレットの回転速度、収集システムの設計、及びオリフィスの形状と大きさである。 The electrostatic force used to create nanofibers in an electrospinning device has been replaced by centrifugal force in a force spinning device. The liquid material may include a molten material such as a solution or polymer melt. Examples of suitable materials include thermoplastic resins, thermosetting resins, ram extruded polymers such as polytetrafluoroethylene (PTFE). In addition to nanofibers, the device can also produce fibers in the micron and submicron range. In force spinning technology, conductivity and / or electrostatic charging is not a parameter related to the choice of material from which the fiber is made. Therefore, the range of materials for spinning can be expanded compared to electrospinning. For example, materials with low dielectric constants can be spun into nanofibers without the addition of salts or solvents. The control variables of the force spinning device are spinneret rotational speed, collection system design, and orifice shape and size.
型内にポリマー材料を射出することによって射出成形部品を製造することも、当該技術分野において周知である。典型的な射出成形法では、加熱溶融プラスチックが圧力下で型穴に押し込まれる。射出成形は、型穴を有する型を含む。型穴は、所望の完成部品の形状に形成され、溶融材料源と直接流体連通する。溶融材料は、典型的には樹脂であるが、金属を含むものであってもよい。溶融材料は、型穴内に押し込まれ、冷却、硬化される。その結果、溶融材料は、型穴の形状に適合する。次いで、冷却された部品が、型穴から取り出される。この工程は、追加の部品を製造するために繰り返されるものであってもよい。 It is also well known in the art to produce injection molded parts by injecting a polymer material into a mold. In a typical injection molding process, heated molten plastic is pressed into a mold cavity under pressure. Injection molding includes a mold having a mold cavity. The mold cavity is formed in the shape of the desired finished part and is in direct fluid communication with the molten material source. The molten material is typically a resin, but may include a metal. The molten material is pushed into the mold cavity and cooled and cured. As a result, the molten material conforms to the shape of the mold cavity. The cooled part is then removed from the mold cavity. This process may be repeated to produce additional parts.
一般に、型穴は、製造されるネガ部分である。すなわち、この型穴がプラスチックで充填され、冷却されると、そのプラスチックは固体材料となり、完成されたポジ部品が得られる。 In general, a mold cavity is a negative part that is manufactured. That is, when the mold cavity is filled with plastic and cooled, the plastic becomes a solid material and a finished positive part is obtained.
射出圧は、様々であり得る。射出圧は、34.475MPa(5,000psi)から137.9MPa(20,000psi)の範囲であってもよい。高圧を伴うことにより、射出及び冷却の間、トン単位で測定される型締力を使用して成形型を閉鎖固定する必要がある場合もある。 The injection pressure can vary. The injection pressure may range from 34.475 MPa (5,000 psi) to 137.9 MPa (20,000 psi). With high pressure, it may be necessary to lock the mold closed during injection and cooling using a clamping force measured in tons.
従来の射出成形技術によれば、大量の部品を、高レベルの精密性及び一貫性をもって製造することができる。例えば、公差を0.0025mm(0.001インチ)未満に維持することは、材料、部品設計、及び型設計の適切な組合せにより比較的容易に達成することができる。さらに工夫をすることによって、より小さい(すなわち、厳しい)公差を達成できることも示されている。 Conventional injection molding techniques can produce large quantities of parts with a high level of precision and consistency. For example, maintaining a tolerance of less than 0.0025 mm (0.001 inch) can be achieved relatively easily by an appropriate combination of materials, part design, and mold design. It has also been shown that, with further ingenuity, smaller (ie, tighter) tolerances can be achieved.
回路遮断器のような電気的開閉装置及び筐体を製造するための従来の方法は、熱絶縁物である成形材料を使用するものである。一般に、熱絶縁物は、低いまたは最小の熱伝導性及び放熱性を備えている。これによって、熱絶縁物から製造された回路遮断器及び筐体は、内部の電子装置を、作動機構を流れる電流から電気的及び熱的に絶縁する。その結果、端子または回路遮断器及び筐体の他の重要個所が、高温となる場合がある。当該技術分野において、安全動作並びに劣化または障害の抑制を保障するために、(端子または他の重要個所における)これらの温度を測定及び記録することが知られている。 Conventional methods for making electrical switchgears and enclosures such as circuit breakers use molding materials that are thermal insulators. In general, thermal insulation has low or minimal thermal conductivity and heat dissipation. Thereby, the circuit breaker and the housing manufactured from the thermal insulation electrically and thermally insulate the internal electronic device from the current flowing through the operating mechanism. As a result, the terminal or circuit breaker and other important parts of the housing may become hot. It is known in the art to measure and record these temperatures (at terminals or other critical points) to ensure safe operation and control of degradation or faults.
したがって、成形される電気的開閉装置の構成材料を特定することには、改善の余地がある。電気的開閉装置及び筐体の製造で使用し、最終的にはこれらの装置が放熱することを可能にし、それによって、伝達される熱量を低減し、また、端子または他の重要個所の温度を低下させるための電気抵抗性かつ熱伝導性の成形組成物に対する要望がある。 Therefore, there is room for improvement in specifying the constituent material of the electrical switchgear to be molded. Used in the manufacture of electrical switchgears and enclosures, ultimately allowing these devices to dissipate heat, thereby reducing the amount of heat transferred and reducing the temperature at terminals or other critical points. There is a need for an electrically resistant and thermally conductive molding composition to reduce.
さらに、射出成形部品の製造、特に、選択された特性を付与するために成形部品を機能化することには、改善の余地がある。 In addition, there is room for improvement in the manufacture of injection molded parts, in particular in functionalizing the molded parts to impart selected properties.
上記の要求及び他の要求は、ここに開示される概念の実施形態によって満たされる。 The above and other needs are met by embodiments of the concepts disclosed herein.
ここに開示される概念の一態様に従って、電気抵抗性かつ熱伝導性の電気的開閉装置を製造するための組成物が提供される。この組成物は、ポリマーを含む第1成分と、ナノファイバーを含む第2成分とを含んでいる。第2成分の熱伝導性は第1成分の熱伝導性よりも高く、この組成物を含む電気的開閉装置は、第2成分のない第1成分で構成された電気的開閉装置と比較して、改善された放熱性を有する。 In accordance with one aspect of the presently disclosed concept, a composition for manufacturing an electrically resistive and thermally conductive electrical switchgear is provided. The composition includes a first component that includes a polymer and a second component that includes nanofibers. The thermal conductivity of the second component is higher than the thermal conductivity of the first component, and an electrical switchgear comprising this composition is compared to an electrical switchgear composed of the first component without the second component. , Has improved heat dissipation.
第2成分は、ポリマー、ポリマー含有材料、金属、金属含有材料、無機材料、及びこれらの混合物から選択されたファイバー材料、並びに充填材を含む。充填材は、それぞれのファイバー材料及び第1成分の熱伝導性よりも高い熱伝導性を有するものであってもよい。 The second component comprises a polymer, polymer-containing materials, metals, metal-containing materials, inorganic materials, and mixtures or we selected fiber material thereof, and a filler. The filler may have a thermal conductivity higher than that of the respective fiber material and the first component.
幾つかの実施形態において、第1成分と第2成分とは、組み合わされて混合物をなすものであってもよい。この混合物は、電気的開閉装置の少なくとも一部をなす成形体を形成するために、射出成形加工されるものであってもよい。 In some embodiments, the first component and the second component may be combined to form a mixture. This mixture may be injection molded to form a molded body that forms at least a part of the electrical switchgear.
他の幾つかの実施形態において、第1成分は、電気的開閉装置の少なくとも一部をなす成形体を形成するために射出成形加工され、第2成分は、成形体の外面の少なくとも一部に堆積されるものであってもよい。第2成分は、マット状であってもよい。このマットは、多孔体であってもよく、さらに、外面上に堆積された第2成分を有する成形体は、透明であってもよい。 In some other embodiments, the first component is injection molded to form a molded body that forms at least a portion of the electrical switchgear, and the second component is applied to at least a portion of the outer surface of the molded body. It may be deposited. The second component may be matte. The mat may be a porous body, and the molded body having the second component deposited on the outer surface may be transparent.
ここに開示される概念の別の態様に従って、電気抵抗性かつ熱伝導性の電気的開閉装置を製造するための成形組成物を準備するための方法が提供される。この方法は、ポリマーを含む第1成分を取得するステップと、ナノファイバーを含む第2成分を取得するステップと、を含んでいる。第2成分は、ポリマー、ポリマー含有材料、金属、金属含有材料、無機材料、及びこれらの混合物から選択されたファイバー材料、並びに充填材を含む。第2成分の熱伝導性は第1成分の熱伝導性よりも高く、この成形組成物を含む電気的開閉装置は、第2成分のない第1成分で構成された電気的開閉装置と比較して、改善された放熱性を有する。この方法は、さらに、成形部品を形成するために、射出成形工程において第1成分と第2成分とを組み合わせるステップを含む。成形部品は、少なくとも部分的に電気的開閉装置を構成する。
In accordance with another aspect of the concepts disclosed herein, a method is provided for preparing a molding composition for manufacturing an electrically resistive and thermally conductive electrical switchgear. The method includes obtaining a first component comprising a polymer and obtaining a second component comprising nanofibers. The second component comprises a polymer, polymer-containing materials, metals, metal-containing materials, inorganic materials, and mixtures or we selected fiber material thereof, and a filler. The thermal conductivity of the second component is higher than the thermal conductivity of the first component, and the electrical switchgear including this molding composition is compared with the electrical switchgear composed of the first component without the second component. And improved heat dissipation. The method further includes combining the first component and the second component in an injection molding process to form a molded part. The molded part at least partially constitutes an electrical switchgear.
第2成分は、キャリア基板上に少なくとも部分的に堆積されたナノファイバー層を含むものであってもよい。 The second component may include a nanofiber layer at least partially deposited on the carrier substrate.
幾つかの実施形態において、第1成分と第2成分とを組み合わせるステップは、第2成分を型の内面上に少なくとも部分的に堆積させ、第1成分を型内に導入し、第1成分を硬化させ、第2成分を型の内面から成形部品の外面に少なくとも部分的に転写させ、型から成形部品を取り出すことを含む。あるいは、第2成分は、キャリアフィルムを用いることなく型の内面に直接堆積されたナノファイバーを含むものであってもよい。 In some embodiments, the step of combining the first component and the second component comprises at least partially depositing the second component on the inner surface of the mold, introducing the first component into the mold, and removing the first component. Curing, at least partially transferring the second component from the inner surface of the mold to the outer surface of the molded part, and removing the molded part from the mold. Alternatively, the second component may include nanofibers deposited directly on the inner surface of the mold without using a carrier film.
ここに開示される概念のさらに別の態様に従って、電気抵抗性かつ熱伝導性の電気的開閉装置の内部温度を低下させる方法が提供される。この方法は、電気的開閉装置の構成材料を準備するステップを含んでおり、該ステップは、ポリマーを含む第1成分とナノファイバーを含む第2成分とを組み合わせて混合物を形成するステップを含む。第2成分の熱伝導性は、第1成分の熱伝導性よりも高く、この混合物を含む電気的開閉装置は、第2成分のない第1成分で構成された電気的開閉装置と比較して、改善された放熱性を有する。混合物は、型内に導入されて硬化される。次いで、硬化した混合物は、型から取り出され、電気的開閉装置の少なくとも一部を形成するために使用される構成材料が形成される。 In accordance with yet another aspect of the presently disclosed concept, a method is provided for reducing the internal temperature of an electrically resistive and thermally conductive electrical switchgear. The method includes providing a component of an electrical switchgear that includes combining a first component that includes a polymer and a second component that includes a nanofiber to form a mixture. The thermal conductivity of the second component is higher than the thermal conductivity of the first component, and the electrical switchgear including this mixture is compared with the electrical switchgear composed of the first component without the second component. , Has improved heat dissipation. The mixture is introduced into the mold and cured. The cured mixture is then removed from the mold to form a constituent material that is used to form at least a portion of the electrical switchgear.
ここに開示される概念の完全な理解は、以下の好適な実施形態の説明を、添付図面とともに読むことにより得ることができる。 A full understanding of the concepts disclosed herein can be obtained by reading the following description of the preferred embodiments in conjunction with the accompanying drawings.
本明細書で使用される「ロードセンター」という用語は、ロードパネル、パネルボード、回路遮断器パネル、または、複数の分岐または他の負荷回路のために複数の回路遮断器を取り囲むまたは収容する任意の適切な筐体を意味する。さらに、本明細書で使用される「電気的開閉装置」という用語は、関連する筐体またはハウジングを含むものである。 The term “load center” as used herein refers to any load panel, panel board, circuit breaker panel, or any surrounding or containing multiple circuit breakers for multiple branches or other load circuits. Means an appropriate housing. Further, as used herein, the term “electrical switchgear” is intended to include the associated housing or housing.
本明細書において、2つ以上の部品が「接続される」という記載は、それらの部品が直接結合されるか、または、1つまたは複数の中間部品を介して結合されることを意味する。さらに、本明細書において、2つ以上の部品が「付着される」という記載は、それらの部品が直接結合されることを意味する。 In this specification, the statement that two or more parts are “connected” means that they are either directly coupled or coupled via one or more intermediate components. Further, in this specification, the statement that two or more parts are “attached” means that the parts are directly coupled.
ここに開示される概念は、回路遮断器及びロードセンターのような電気的開閉装置及び関連する筐体に関連させて説明される。但し、ここに開示される概念が、他の種類の電気的開閉装置にも適用可能であることは明らかである。他の種類の電気的開閉装置は、例えば、接触器、モータ始動装置、モータ制御装置、及び他の負荷制御装置といった他の回路開閉装置及び他の回路遮断装置であるが、これらに限定されるものではない。 The concepts disclosed herein are described in the context of electrical switchgear such as circuit breakers and load centers and associated housings. However, it is clear that the concept disclosed herein can be applied to other types of electrical switchgear. Other types of electrical switchgear include, but are not limited to, other circuit switchgears and other circuit breakers such as contactors, motor starters, motor controllers, and other load controllers. It is not a thing.
ここに開示される概念は、幾つかの実施形態において、回路遮断器及び筐体のような電気抵抗性かつ熱伝導性の電気的開閉装置を製造するための電気抵抗性のヒートシンク組成物を含む。電気的開閉装置を電気抵抗性材料から構成することは、当該技術分野において周知である。さらに、電気的開閉装置をポリマー(液晶ポリマーを含むが、これに限定されない)のような熱絶縁材料から構成することは、当該技術分野において周知である。ポリマーは、熱伝導性が高いものではないため、放熱のためにあまり有効ではない。その結果、ポリマーから形成される回路遮断器及び筐体のような従来の電気的開閉装置では、熱が保持され、これによって高温となる。現在の実際の運転には、温度の上昇を監視及び制御するために、回路遮断器の周辺領域または近接領域の温度を測定及び記録することが含まれる場合がある。 The concept disclosed herein includes, in some embodiments, an electrically resistive heat sink composition for manufacturing electrically resistive and thermally conductive electrical switchgear such as circuit breakers and housings. . It is well known in the art to construct an electrical switchgear from an electrically resistive material. Furthermore, it is well known in the art that electrical switchgear is constructed from a thermally insulating material such as a polymer (including but not limited to a liquid crystal polymer). Polymers are not very effective for heat dissipation because they are not highly thermally conductive. As a result, conventional electrical switchgear devices such as circuit breakers and enclosures formed from polymers retain heat, which results in high temperatures. Current actual operation may include measuring and recording the temperature in or around the circuit breaker to monitor and control the temperature rise.
熱伝導材として適切な様々な既知の材料が存在する。しかしながら、これらの既知の材料は、通常、電気伝導性も有している。安全重視の観点から、電気的開閉装置を製造するために使用される材料は、電気絶縁性を備えるものでなければならない。したがって、電気的開閉装置を構成するために適切な材料は、単に電気抵抗性なしに熱伝導性を示すものとすることはできない。電気的開閉装置を構成するために適切な材料は、熱伝導性とともに電気抵抗性を示すものである。ここに開示される概念の利点は、成形組成物を、電気抵抗性と熱伝導性の両方を備える電気的開閉装置を製造するために、この装置は、導電体となることなく放熱することができる There are a variety of known materials suitable as heat transfer materials. However, these known materials are usually also electrically conductive. From the point of view of safety, the material used for manufacturing the electrical switchgear must have electrical insulation. Therefore, a material suitable for constructing an electrical switchgear cannot simply exhibit thermal conductivity without electrical resistance. Suitable materials for constructing the electrical switchgear are those that exhibit electrical resistance as well as thermal conductivity. An advantage of the concept disclosed herein is that, in order to produce an electrical switchgear that has both electrical resistance and thermal conductivity, the device can dissipate heat without becoming a conductor. it can
ここに開示される概念において、電気抵抗性かつ熱伝導性の電気的開閉装置は、ポリマーを含む第1成分とナノファイバーを含む第2成分を含有する組成物から製造される。ナノファイバーは、ポリマー成分よりも高い熱伝導性を示すものである。したがって、組成物中にナノファイバー成分が存在することは、この組成物から形成される電気的開閉装置の熱伝導性を向上させるために有効である。したがって、例えば、ここの開示される概念の組成物から形成された回路遮断器において、ナノファイバー成分の存在は、回路遮断器による放熱を増大させ、それによって、回路遮断器から端子または他の個所(通常は温度上昇を監視及び制御する必要がある場所)への熱伝達を低減するために有効である。 In the concept disclosed herein, an electrically resistive and thermally conductive electrical switchgear is manufactured from a composition containing a first component comprising a polymer and a second component comprising nanofibers. Nanofibers exhibit higher thermal conductivity than polymer components. Therefore, the presence of the nanofiber component in the composition is effective for improving the thermal conductivity of an electrical switchgear formed from the composition. Thus, for example, in a circuit breaker formed from a composition of the disclosed concept, the presence of the nanofiber component increases heat dissipation by the circuit breaker, thereby causing the terminal or other location from the circuit breaker. Effective for reducing heat transfer to (usually where temperature rise needs to be monitored and controlled).
幾つかの実施形態において、ここに開示される概念の組成物は、この領域の熱伝導性を向上させ、筐体の内部温度を低下させ、ロードセンターに放熱するために、筐体のバックパンを形成するために使用することができる。ロードセンターは、典型的には、鋼のような金属から構成される。したがって、筐体からの熱伝達の結果としてロードセンターの温度が上昇する可能性はある(例えば、触ると暖かく感じる場合はある)ものの、ロードセンターの金属構成によって放熱される。 In some embodiments, the conceptual composition disclosed herein improves the thermal conductivity of this region, lowers the internal temperature of the enclosure, and dissipates heat to the load center. Can be used to form The load center is typically composed of a metal such as steel. Therefore, although the temperature of the load center may increase as a result of heat transfer from the housing (for example, it may feel warm when touched), it is dissipated by the metal structure of the load center.
組成物のナノファイバーは、ファイバー材料及び充填材を使用して準備される。ファイバー材料には、ポリマー、ポリマー含有材料、金属、金属含有材料、セラミックのような無機材料、及びこれらの混合物が含まれる。使用に適した充填材は、幅広い種類の既知の材料から選択することができる。一般に、異なる充填材は、異なる特性を示し、これらの異なる特性をポリマー成分及び組成物に、ひいては少なくとも部分的にこの組成物から構成される電気的開閉装置に付与する。特定の充填材は、その材料特性の機能性に基づいて選択される。したがって、特性または機能性は、結果として生成される組成物または成形部品(例えば、電気的開閉装置)のために望ましいものである。例えば、ポリマー成分と組み合わされて(高熱伝導性ではない)ポリマー成分に熱伝導性を付与するナノファイバーを準備するために、熱伝導性の充填材が使用される。これによって、最終的には、これらから形成される電気的開閉装置に熱伝導性が付与される。充填材(及び結果として生成されるナノファイバー成分)は、ポリマー成分よりも高い熱伝導性を示し、それによって、ここに開示される概念の組成物の熱伝導性は、ポリマー成分の熱伝導性よりも高いものとなる。 The nanofibers of the composition are prepared using fiber materials and fillers. Fiber materials include polymers, polymer-containing materials, metals, metal-containing materials, inorganic materials such as ceramics, and mixtures thereof. Suitable fillers for use can be selected from a wide variety of known materials. In general, different fillers exhibit different properties and impart these different properties to the polymer component and composition and thus to an electrical switchgear constructed at least in part from the composition. The particular filler is selected based on the functionality of its material properties. Thus, properties or functionality are desirable for the resulting composition or molded part (eg, electrical switchgear). For example, thermally conductive fillers are used to prepare nanofibers that combine with the polymer component to impart thermal conductivity to the polymer component (not high thermal conductivity). Thereby, finally, thermal conductivity is imparted to the electrical switchgear formed therefrom. The filler (and resulting nanofiber component) exhibits a higher thermal conductivity than the polymer component, so that the thermal conductivity of the conceptual composition disclosed herein is that of the polymer component. Higher than that.
ナノファイバー成分は、当該技術分野において周知の様々な従来技術を使用して準備することができる。この従来技術には、エレクトロスピニング及びフォーススピニングが含まれるが、これらに限定されるものではない。エレクトロスピニング法は、環境温度及び環境圧力の条件下で実施することができる。フォーススピニングは、通常、高温条件下、例えば、ナノファイバーを形成するために使用されるファイバー材料の溶融温度で実施される。 The nanofiber component can be prepared using a variety of conventional techniques well known in the art. This prior art includes, but is not limited to, electrospinning and force spinning. The electrospinning method can be performed under conditions of environmental temperature and environmental pressure. Force spinning is typically performed under high temperature conditions, for example, at the melting temperature of the fiber material used to form the nanofibers.
ポリマー成分は、ポリマー及び/またはポリマー含有材料(例えば、母材)を含み、電気的開閉装置を製造するために知られているこれらの材料から選択することができる。 The polymer component includes polymers and / or polymer-containing materials (eg, matrix) and can be selected from these materials known for making electrical switchgear.
ここに開示される概念に従って、ポリマー成分及びナノファイバー成分は、組み合わされて、電気抵抗性かつ熱伝導性の電気的開閉装置(例えば、回路遮断器及び筐体)を製造するための電気抵抗性のヒートシンク組成物を形成する。ナノファイバー成分を準備し、次いで、第1のポリマー成分に組み込むことができる。例えば、ポリマー成分は、従来の射出成形法を使用して、例えば電気的開閉装置またはその一部のような成形体を形成するために使用することができる。一般に、射出成形には、型または型穴を選択し、型または型穴を少なくとも部分的に材料(例えば、ポリマー)で充填し(例えば、材料を射出し)、型または型穴の充填物を硬化させ、型または型穴から成形体を取り出すことが含まれる。成形体は、環境温度及び環境圧力条件で形成することができる。 In accordance with the concepts disclosed herein, the polymer component and the nanofiber component are combined to create an electrically resistive and thermally conductive electrical switchgear (eg, circuit breaker and housing) for electrical resistance. Forming a heat sink composition. A nanofiber component can be provided and then incorporated into the first polymer component. For example, the polymer component can be used to form a shaped body, such as an electrical switchgear or a portion thereof, using conventional injection molding methods. In general, for injection molding, a mold or mold cavity is selected, the mold or mold cavity is at least partially filled with a material (eg, a polymer) (eg, material is injected), and the mold or mold cavity is filled. Curing and removing the shaped body from the mold or mold cavity is included. The molded body can be formed under environmental temperature and environmental pressure conditions.
幾つかの実施形態において、ナノファイバー成分は、ナノファイバーを少なくとも部分的に成形体の外面に埋め込むかまたは外面上に堆積させることによって、ポリマー成分に組み込まれる。上述したように、ナノファイバー成分は、当該技術分野における従来の技術を使用して準備される。例えば、基板または収集器上の堆積ナノファイバーを形成するために、エレクトロスピニングまたはフォーススピニングを使用することができる。別の実施形態において、ナノファイバー層を、例えばキャリアフィルムのような収集体上に少なくとも部分的に形成し、次いで、ナノファイバー層を有する収集体を基板に適用することができる。あるいは、キャリアフィルムを使用することなく、ナノファイバー層を直接基板上に(例えば、型の内面上に直接)形成することもできる。ナノファイバーがキャリアフィルム上に形成される実施形態では、キャリアフィルムは、型または型穴の内面に適用され(例えば、接続または付着され)、型または型穴が充填されると、ポリマー成分はフィルム上のナノファイバーに接触する。そして、成形されたポリマー成分が型から取り出されると、ナノファイバーは、フィルムの表面から成形されたポリマー成分の外面に少なくとも部分的に転写される。この際、ナノファイバーは、その外面に少なくとも部分的に埋め込まれる(例えば、注入される)か、またはその外面上に少なくとも部分的に堆積され(例えば、外面をコーティングし、または、外面上に積層され、または外面をラミネートし)、ポリマー成分及びナノファイバー成分のそれぞれを含む成形部品または成形組成物が形成される。 In some embodiments, the nanofiber component is incorporated into the polymer component by at least partially embedding or depositing the nanofibers on the outer surface of the shaped body. As described above, the nanofiber component is prepared using conventional techniques in the art. For example, electrospinning or force spinning can be used to form deposited nanofibers on a substrate or collector. In another embodiment, a nanofiber layer can be formed at least partially on a collection, such as a carrier film, and then the collection having the nanofiber layer can be applied to a substrate. Alternatively, the nanofiber layer can be formed directly on the substrate (eg, directly on the inner surface of the mold) without using a carrier film. In embodiments where the nanofibers are formed on a carrier film, the carrier film is applied (eg, connected or attached) to the inner surface of the mold or mold cavity, and when the mold or mold cavity is filled, the polymer component is the film. Contact the top nanofiber. Then, when the molded polymer component is removed from the mold, the nanofibers are at least partially transferred from the surface of the film to the outer surface of the molded polymer component. At this time, the nanofibers are at least partially embedded (eg, injected) on the outer surface, or at least partially deposited on the outer surface (eg, coating the outer surface or laminating on the outer surface). Or laminating the outer surface) to form a molded part or molding composition comprising each of the polymer component and the nanofiber component.
別の手段として、ナノファイバーが型の内面の少なくとも一部に直接形成される実施形態では、型または型穴を充填すると、ポリマー成分は、型または型穴の内面のナノファイバーに接触し、成形されたポリマー成分が型から取り出されると、ナノファイバーは、型の内面から成形されたポリマー成分の外面に少なくとも部分的に転写される。この際、ナノファイバーは、その外面に少なくとも部分的に埋め込まれる(例えば、注入される)か、またはその外面上に少なくとも部分的に堆積され(例えば、外面をコーティングし、または、外面上に積層され、または外面をラミネートし)、ポリマー成分及びナノファイバー成分のそれぞれを含む成形組成物が形成される。 Alternatively, in embodiments where the nanofibers are formed directly on at least a portion of the inner surface of the mold, filling the mold or mold cavity causes the polymer component to contact the nanofibers on the inner surface of the mold or mold cavity and mold As the polymer component is removed from the mold, the nanofibers are at least partially transferred from the inner surface of the mold to the outer surface of the molded polymer component. At this time, the nanofibers are at least partially embedded (eg, injected) on the outer surface, or at least partially deposited on the outer surface (eg, coating the outer surface or laminating on the outer surface). Or laminating the outer surface) to form a molding composition comprising each of the polymer component and the nanofiber component.
ナノファイバー成分は、(例えば、不織の)ウェブ状またはマット状であってもよい。このウェブまたはマットは、高多孔性のものであってもよい。ポリマー成分が光学的に透明であるような実施形態において、成形されたポリマー成分の外面上へのナノファイバー成分の堆積が、結果として生成される成形された組成物の光学的透明性を大きく低減することはない。 The nanofiber component may be in the form of a web (eg, non-woven) or mat. The web or mat may be highly porous. In embodiments where the polymer component is optically clear, deposition of the nanofiber component on the outer surface of the molded polymer component greatly reduces the optical clarity of the resulting molded composition. Never do.
ナノファイバーの直径は、様々なものが可能である。幾つかの実施形態において、ナノファイバーの直径は、約10ナノメートルから約10マイクロメートル(ミクロン)であってもよい。理論によって限定することを意図するものではないが、ナノスケールの大きさを有するファイバーを使用することにより、ナノファイバー成分とポリマー成分との間の相互作用及び結合が改善されると考えられている。 Various diameters of the nanofibers are possible. In some embodiments, the nanofiber diameter may be from about 10 nanometers to about 10 micrometers (microns). While not intending to be limited by theory, it is believed that the use of fibers having nanoscale dimensions improves the interaction and bonding between the nanofiber and polymer components. .
幾つかの実施形態において、ポリマー成分及びナノファイバー成分を含む成形組成物の表面の導電性は、約10オームから約100メガオームである。成形組成物の表面の導電性は、選択される特定の充填材、及び、充填材の特定の量によって制御及び調整することができる。 In some embodiments, the conductivity of the surface of the molding composition comprising the polymer component and the nanofiber component is from about 10 ohms to about 100 megaohms. The conductivity of the surface of the molding composition can be controlled and adjusted by the particular filler selected and the particular amount of filler.
図3には、ここに開示される概念の幾つかの実施形態に従って、ナノファイバーのコーティングを成形部品の表面上の少なくとも一部に堆積するための装置及び工程が示されている。図3Aに示すように、工程を開示するために、箔を配置するステップが使用される。このステップのための装置は、型(ダイ)30、キャリアフィルム32、及び伝導性ナノファイバー34を含む。伝導性ナノファイバー34は、キャリアフィルム32上に堆積され、そこで層をなす。ノズルヘッド38を有するノズル36は、材料39を型30内に射出するために使用される。したがって、ノズル36は、ノズルヘッド38及びそこに収容された材料39を含む。材料39は、ポリマーまたはポリマー含有材料(例えば、樹脂材料)を含むものであってもよい。図3Bは、さらに、射出成形ステップを示しており、伝導性ナノファイバー34を含むキャリアフィルム32は、型30の内面に接触している(例えば、付着しているまたは適用されている)。ノズルヘッド38は、材料39を型30内に射出する。図3Cは、取り出しステップを示しており、成形部品40が製造され、成形部品40の外面は、外面内または外面上に堆積された伝導性ナノファイバー34を有している。伝導性ナノファイバー34は、キャリアフィルム32から少なくとも部分的に転写されたものであり、キャリアフィルム32は、型30の内面に留まっている。成形部品40の表面上または表面内に伝導性ナノファイバー34が存在することにより、成形部品40の表面の伝導性を制御または指定することができる。
FIG. 3 illustrates an apparatus and process for depositing a nanofiber coating on at least a portion of a surface of a molded part in accordance with some embodiments of the concepts disclosed herein. As shown in FIG. 3A, the step of placing a foil is used to disclose the process. The apparatus for this step includes a mold (die) 30, a
ここに開示される概念のポリマー成分及びナノファイバー成分のそれぞれは、追加の添加剤または補助剤を含むものであってもよい。これらの添加剤及び補助剤は、ポリマー含有組成物及び成形体の準備で使用するための周知のものである。 Each of the polymer components and nanofiber components of the concepts disclosed herein may include additional additives or adjuvants. These additives and adjuvants are well known for use in preparing polymer-containing compositions and molded bodies.
幾つかの実施形態において、電気抵抗性かつ熱伝導性の電気的開閉装置の少なくとも一部は、ポリマー成分、ナノファイバー成分、及び任意の添加剤を組み合わせて混合物を形成することによって、ここに開示される概念の組成物から形成される。この混合物は、型または型穴に注入または射出され、適切な時間だけ硬化されて、組み込まれたポリマー成分及びナノファイバー成分を含む単一の成形部品(例えば、電気的開閉装置)が形成される。 In some embodiments, at least a portion of the electrically resistive and thermally conductive electrical switchgear is disclosed herein by combining a polymer component, a nanofiber component, and optional additives to form a mixture. Formed from a conceptual composition. This mixture is injected or injected into a mold or mold cavity and cured for an appropriate amount of time to form a single molded part (eg, an electrical switchgear) that includes the incorporated polymer component and nanofiber component. .
ここに開示される概念の組成物は、電気抵抗性の電気的開閉装置(例えば、回路遮断器であるが、これに限定されない)、筐体、及びロードセンターにおいてヒートシンクとして機能する。 The conceptual composition disclosed herein functions as a heat sink in an electrically resistive electrical switchgear (eg, but not limited to a circuit breaker), housing, and load center.
以上、ここに開示される概念の特定の実施形態について詳細に説明したが、本明細書の全体の教示を考慮すれば、これらの詳細に対して様々な修正及び変更を実施できることは、当業者には理解されるものである。したがって、本明細書に記載された特定の構成は、説明のみを目的とするものであり、添付請求項に全容が与えられるここに開示される概念並びに任意の及び全ての均等物の範囲を限定するものではない。 Although specific embodiments of the concepts disclosed herein have been described in detail, those skilled in the art will recognize that various modifications and changes can be made to these details in light of the overall teachings herein. Is understood. Accordingly, the specific configurations described herein are for illustrative purposes only and limit the scope of the concepts disclosed herein and any and all equivalents given the full scope of the appended claims. Not what you want.
Claims (8)
ポリマーを含む第1成分からなる成形体と、
ポリマーまたはポリマー含有材料を含むファイバー材料を含むナノファイバー並びに充填剤を含む第2成分と、を含み、
第2成分の熱伝導性は第1成分の熱伝導性よりも高く、前記成形部品を含む電気的開閉装置は、第2成分のない第1成分で構成された電気的開閉装置と比較して、改善された放熱性を有し、
第2成分は、第1成分からなる成形体の外面の少なくとも一部に埋め込まれるかまたは堆積され、ウェブ状またはマット状である、ことを特徴とする成形部品。 A molded part for producing an electrically resistive and thermally conductive electrical switchgear,
A molded body comprising a first component containing a polymer;
A nanofiber comprising a polymer or a fiber material comprising a polymer-containing material and a second component comprising a filler ,
The thermal conductivity of the second component is higher than the thermal conductivity of the first component, and the electrical switchgear including the molded part is compared with the electrical switchgear composed of the first component without the second component. Have improved heat dissipation,
The second component is or deposited embedded in at least a portion of the outer surface of the molded article comprising a first component is a web-shaped or mat-like, molded parts, characterized in that.
ポリマーを含む第1成分を取得するステップと、
ナノファイバーを含む第2成分を取得するステップと、を含んでおり、
第2成分は、ポリマー、ポリマー含有材料、金属、金属含有材料、無機材料、及びこれらの混合物から選択されたファイバー材料、並びに充填材を含み、
第2成分の熱伝導性は第1成分の熱伝導性よりも高く、前記成形組成物を含む電気的開閉装置は、第2成分のない第1成分で構成された電気的開閉装置と比較して、改善された放熱性を有し、
成形部品(40)を形成するために、射出成形工程において第1成分と第2成分とを組み合わせるステップをさらに含み、
第2成分は、キャリア基板(32)上に少なくとも部分的に堆積されたナノファイバー層を含み、
第1成分と第2成分とを組み合わせるステップは、
第2成分を有するキャリア基板(32)を型(30)の内面に接触させ、第1成分(39)を型(30)内に導入し、第1成分(39)を硬化させ、第2成分を型(30)の内面から成形部品(40)の外面に少なくとも部分的に転写させ、キャリア基板(32)は型内に留めつつ、型(30)から成形部品(40)を取り出すことを含み、
成形部品(40)は、少なくとも部分的に電気的開閉装置を構成する、ことを特徴とする方法。 A method for preparing a molding composition for producing an electrically resistive and thermally conductive electrical switchgear comprising:
Obtaining a first component comprising a polymer;
Obtaining a second component comprising nanofibers, and
The second component comprises a polymer, polymer-containing materials, metals, metal-containing materials, inorganic materials, and mixtures or we selected fiber material thereof, and the filler,
The thermal conductivity of the second component is higher than the thermal conductivity of the first component, and the electrical switchgear including the molding composition is compared with the electrical switchgear composed of the first component without the second component. With improved heat dissipation,
Further comprising combining a first component and a second component in an injection molding process to form a molded part (40);
The second component includes a nanofiber layer at least partially deposited on the carrier substrate (32);
The step of combining the first component and the second component is:
The carrier substrate (32) having the second component is brought into contact with the inner surface of the mold (30), the first component (39) is introduced into the mold (30), the first component (39) is cured, and the second component At least partially from the inner surface of the mold (30) to the outer surface of the molded part (40), and removing the molded part (40) from the mold (30) while the carrier substrate (32) remains in the mold. ,
A method, characterized in that the molded part (40) at least partially constitutes an electrical switchgear.
第2成分を型(30)の内面上に少なくとも部分的に堆積させ、第1成分(39)を型(30)内に導入し、第1成分(39)を硬化させ、第2成分を型(30)の内面から成形部品(40)の外面に少なくとも部分的に転写させ、型(30)から成形部品(40)を取り出すことを含む、ことを特徴とする請求項5に記載の方法。 The step of combining the first component and the second component is:
The second component is at least partially deposited on the inner surface of the mold (30), the first component (39) is introduced into the mold (30), the first component (39) is cured, and the second component is molded. The method of claim 5, comprising at least partially transferring from the inner surface of (30) to the outer surface of the molded part (40) and removing the molded part (40) from the mold (30).
Applications Claiming Priority (3)
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